Глава 34 древесина

Древесина — ценнейшее промышленное сырье. Большая потреб­ность в древесине во многих областях техники объясняется ее свойствами, которые характеризуют древесину как важный кон­струкционный материал для строительства, горнодобывающей про­мышленности, железнодорожного транспорта, энергетики и т. д. Благодаря таким технологическим свойствам, как легкость обра­ботки резанием и окончательной доводки поверхности изделия, а также натуральным декоративным достоинствам древесина - не­заменимый материал, особенно в мебельной промышленности и столярном деле. Химический состав древесины делает ее необхо­димым химическим сырьем для целлюлозно-бумажной промыш­ленности и производства древесных пластиков.

1. Строение и химический состав древесины

В процессе роста дерева по периметру ствола ежегодно возни­кают слои клеток, образующих годовые слои, причем слой, нарас­тающий раньше (весенний), более мягкий и более светлый, чем по­следующие слои, нарастающие летом и осенью, - более твердые и темные. С течением времени внутренние слои утолщаются и твер­деют, образуя ядро - наиболее ценную часть дерева. Наружные го­довые слои остаются большей частью мягкими, образуя заболонь

Ядро Твердая Мягкая ^Рис-^34л-^{Сечение пня}

(рис. 34.1). Процесс роста ствола происходит главным образом в находящемся непосредственно за корой тонком слое, называемом мезгой. Кора образует наружный, защитный слой дерева. Остальная часть ствола исполняет главные механические функции, а именно удерживает дерево в вертикаль­ном положении, а также противо­действует естественным нагрузкам (ветер, снег).

Главный элемент структуры древесины - клетки. Длина клеток составляет обычно 2-4 мм, а размер в поперечнике 20-40 мкм. Стенки клеток являются компо­зитом со сложной структурой. Микроволокна композита, харак­теризующиеся высокой прочностью, построены из кристалличе­ской целлюлозы и составляют -45% от массы стенок клетки. Целлюлоза является полимером (С₆Н,₀О₅)_п со степенью полимери­зации ~10⁴. Микроволокна целлюлозы составляют основу лигни­на и гемицеллюлозы. Лигнин - некристаллический полимер, в то время как гемицеллюлоза - полимер такого же состава, что и целлюлоза, но с меньшей степенью полимеризации и частично кристаллической структурой. Лигнин и гемицеллюлоза состав­ляют - 20 % массы стенок клеток, еще 10 % массы составляет во­да, 5 % - побочные компоненты, т. е. смолы, дубильные вещест­ва, жиры, а также минеральные соли, остальное - целлюлоза. По­бочные компоненты придают древесине цвет и запах, а иногда также стойкость к вредителям.

В состав отдельных органических веществ древесины входят углерод, кислород, водород и азот. Доля этих элементов в сухой древесине составляет, %: углерода - 50, кислорода - 43, водоро­да - 6,1 и азота - 0,12.

Микроструктура древесины складывается из большого коли­чества длинных, плотных трубчатых клеток, наполненных водой или растительным соком. Целлюлоза, соединяясь с гемицеллюло­зой, образует каркасное вещество клеточных стенок, которые на­сыщены лигнином.

Важным компонентом древесины являются также минераль­ные вещества, такие как соли калия, натрия, кальция и угольной, фосфорной и кремниевой кислот. Содержание этих компонентов в древесине переменно и составляет в среднем 0,2—1,7 %. В боль­

шем или меньшем количестве находятся в древесине также по­бочные вещества, такие как смолы, воск, жиры, красители, ду­бильные вещества, алкалоиды и др.

Очень существенным компонентом древесины является вода. Различают связанную и свободную воду. Около 25-30 % влаги содержится в древесине в связанном виде и очень трудно поддает­ся удалению. Остальная влага, заполняющая межклеточное про­странство, легко выпаривается во время сушки.

Дерево, насыщенное водой, легко отдает ее воздуху, пересу­шенное дерево наоборот, поглощает влагу из воздуха. Высыхание и увлажнение особенно интенсивно происходит в основных сече­ниях древесины. Растущее дерево очень быстро впитывает воду, причем количество ее зависит не только от вида дерева, но и от времени года. Например, оптимальное содержание воды в расту­щей сосне или ели составляет 80 %, в березе 70 % . При транспор­тировке по воде (сплав) влажность дерева повышается еще боль­ше. Такую древесину называют мокрой.

При длительном хранении на складе насыщение древесины водой стабилизируется, достигая определенного содержания в ус­ловиях окружающего воздуха. В зависимости от климата и вре­мени года влажность древесины, находящейся на воздухе, состав­ляет 15-20 %. Высушенная древесина носит название воздушно­сухой.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Одним из важнейших свойств древесины является ее усадка. Линейные размеры древесины уменьшаются в процессе сушки, а противоположный процесс - так называемое растрескивание - идет при поглощении влаги из воздуха. Эти явления происходят при изменении содержания связанной воды (насыщающей), а со­держание свободной (капиллярной) воды не влияет на изменение объема древесины. Величина объемной усадки приблизительно равна объему связанной (насыщающей) воды, отданной древеси­ной при сушке. Линейная усадка различных пород древесины приведена в табл. 34.1.

Неодинакова величина усадки при сушке в направлениях оси, лучей и по окружности. Эти величины наименьшие в направле­нии оси древесины (0,12-0,36 %), выше в направлении лучей (3- 8 %) и самые высокие по окружности (6-13 %). Разная линейная усадка в направлении лучей и по окружности вызывает коробле­ние досок и изменение формы поперечного сечения. Более бы­страя и большая усадка по окружности, чем вдоль лучей, при сушке является главной причиной растрескивания древесины.

Вид древесины	Плотность, г/см3	Линейная усадка древесины, %, в направ­лении
		оси	лучей	окружности
Липа	0,45	0,20	7,79	11,50
Пихта	0,45	0,12	2,91	6,72
Ель	0,45	0,14	2,41	6,18
Ольха	0,54	0,36	2,91	5,07
Сосна	0,50	0,12	3,04	5,72
Береза	0,65	0.27	-	-
Бук	0,65	0,16	-	-
Дуб	0,70	0,16	-	-
Орех	0,66	0,21	3,82	10,50
Груша	0,725	0,22	3,94	12,70
Ясень	0,74	0,19	3,35	6,50
Клен	0,70	0,21	-	-
Акация	0,77	-	-	-
Эбеновое дерево	1,16	-	-	-
Гваяковое дерево	1,23	~

Растрескивание легче происходит в более толстых сечениях. На рис. 34.2. показано разное деформирование, возникающее в ре­зультате неодинаковой усадки по сечению ствола дерева.

Плотность древесины (собственная масса) зависит от степени ее влажности и пористости. В связи с этим различают плотность

свежесрубленной, воздушно­сухой и полностью сухой древесины. В зависимости от

1

Рис. 34.2. Искажения древесины и трещины, возникающие в результа­те неоднородного скручивания в раз­ных направлениях во время обра­ботки дерева:

а, б, в - деформация в продольном сечении; г - коробление доски, вы­резанной из ядра дерева; д - дефор­мация дерева из заболонной части; е- образование трещин; 1 - «пра­вая» сторона доски (от стороны сердцевины); 2 - «левая» сторона доски (от внешней стороны пня)

плотности древесины в воздушно-сухом состоянии различают шесть классов древесины:

Очень тяжелая Тяжелая

У меренно тяжелая 0,61-0,70

Легкая

Умеренно легкая Очень легкая

Плотность, г/см³ Породы

> 0,80 Граб, тис, гваяк, эбен, эвкалипт 0,71-0,80 Белая акация (акация), бук, дуб, ясень, орех, груша, слива Береза, клен, явор (белый клен), лиственница, вяз 0,51-0,60 Каштан, красное дерево 0,41-0,50 Сосна обыкновенная, ель, пихта, липа, ольха, осина, кедр, тик < 0,40 Тополь, белая сосна

Механические свойства древесины зависят от направления дей­ствия силы по отношению к волокнам. Различают прочность древе­сины вдоль и поперек волокон. Наиболее существенными являются прочность при сжатии, изгибе и растяжении. Разница в прочности отдельных пород древесины является следствием их различной плотности. Несмотря на то, что прочность при растяжении древе­сины значительна, близка к прочности некоторых цветных метал­лов, например некоторых бронз и латуней, в практике избегают применять деревянные элементы, работающие на растяжение, учи­тывая малую прочность древесины, вызванную напряжениями сре­за и сжатия в месте закрепления. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3 раза меньше, чем при растяжении.

Таблица 34.2 Классификация древесины по твердости

Класс твердости	Порода дерева	Твердость, НВ	ств*, МПа
Очень мягкая	Верба, бальза, тополь, осина, пих­та, ель, белая сосна	До 3,5	80-100
Мягкая	Береза, ольха, явор (белый клен), липа, лиственница, обыкновен­ная сосна, красное дерево, платан	3,6-4,9	90-140
Средней твердости	Вяз, орех, черная сосна	5,0-5,9	90-140
Твердая	Дуб, ясень, яблоня, груша, виш­ня, тик	6,0-6,5	100-140
Очень твердая	Дуб, граб, бук, тис, белая акация (акация), палисандр	6,6-14,6	120-160
Твердая, как кость Эбонитовое дерево, гваяковое де­рево, кокос * Прочность при растяжении вдоль волокон.		Более 15,0

Одной из важных характеристик, определяющих пригодность древесины для использования в промышленности, является ее твердость. Твердость древесины растет по мере роста ее плотности. На основе определения твердости по методу Бринелля древесина разделена на пять классов твердости (табл. 34.2).